一種離子加速管的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種離子加速管，所述加速管用于靜電高壓型離子加速器。本實用新型的離子加速管采用模塊化結構設計，每個離子加速管模塊的加速電壓為250kV左右，一定數量的離子加速管模塊串聯起來，可以得到所需要的超高加速電壓。離子加速管模塊分為強聚焦加速區和空間電荷中和區，用來消除離子束自身空間電荷效應，可加速傳輸超過1mA的離子束。同時，離子加速管模塊還具有二次電子強抑制結構，在組成超過5MV端電壓的超高電壓加速系統時，能有效防止“全電壓效應”的出現。本實用新型的離子加速管可以得到端電壓超過5MV，束流強度超過1mA的直流離子束。本實用新型的離子加速管適合在離子注入、離子束治療腫瘤、核孔膜生產、中子照相等領域應用。
【專利說明】
_種禹子加速管
技術領域
[0001]本實用新型屬于核技術及應用領域，具體涉及一種離子加速管。【背景技術】
[0002]高能強流離子束在材料改性、腫瘤治療以及物理實驗方面有著非常廣泛的應用前景，目前，一種方式是采用射頻離子加速器，能提供能量超過3MeV，束流強度超過1mA的強流離子束，但是，技術難度高，產生的離子束能散大；另外一種方式是采用高壓靜電型離子加速器，離子束能散較小，整機的能量轉換效率高，運行費用低，適合商業化應用，但是，在束流強度超過1mA時，端電壓比較低，在1MV以下。《400 kV強流中子發生器的物理設計》(核心期刊《原子能科學技術》，2012年12月，第46卷第12期)公開了一種高壓靜電型離子加速器， 可以輸出束流強度高達百毫安級別的離子束，其端電壓在1MV以下。《我國高壓加速器技術及應用進展》(2004年，粒子加速器學會第七屆全國會員代表大會暨學術報告會)公開了端電壓超過5MV的高壓靜電型離子加速器，但是束流強度不高，在300uA以內。
[0003]目前，缺少結構簡單，可以用于超過5MV端電壓，束流強度超過1mA的高壓靜電型離子加速管。
【發明內容】
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種離子加速管。
[0005]本實用新型的離子加速管，其特點是，所述的離子加速管包括入口聚焦加速電極 I，入口聚焦加速電極n，中間加速電極I，中間加速電極n，出口散焦加速電極I，出口散焦加速電極n，入口阻止電極，漂移管，出口阻止電極;離子束在入口沿軸線注入，在聚焦加速電極I和入口聚焦加速電極n區間獲得電場加速和聚焦，之后進入中間加速電極I和中間加速電極n獲得電場加速，之后進入出口散焦加速電極I和出口散焦加速電極n獲得電場加速和散焦，然后，離子束通過入口阻止電極，進入漂移管，最后，離子束從出口阻止電極輸出；
[0006]所述的入口聚焦加速電極I的入口段是傾斜a角的圓錐形表面，入口的孔徑為dl，a 角的范圍是20°?40°，中間段是等直段，等直段的孔徑為d2,出口段是圓環形結構，出口段的內徑為d3，dl〈d3〈d2;[〇〇〇7] 所述的入口聚焦加速電極II為中心開直徑d4的圓孔平板，d3〈d4;
[0008]所述的中間加速電極I為中心開直徑d5的圓孔平板，中間加速電極n為中心開直徑d6的圓孔平板，d4〈d5，d5=d6;
[0009]所述的出口散焦加速電極I與入口聚焦加速電極n的結構一致，與入口聚焦加速電極n呈鏡像對稱布置，d7=d4;[〇〇1〇] 所述的出口散焦加速電極n與入口聚焦加速電極I的結構一致，與入口聚焦加速電極I呈鏡像對稱布置，d8=d3，d9=d2，dl0=dl。
[0011] 所述的入口阻止電極和出口阻止電極具有相同的電位，電位低于漂移管的電位。
[0012]所述的漂移管與出口散焦加速電極的電位相同。
[0013]所述的離子加速管的外部工作環境是5-8個大氣壓下的SF6氣體。
[0014]本實用新型的離子加速管總體結構分為兩大區域:高梯度加速區、空間電荷中和區。加速管外側均勻分布的、電壓梯度比較低的電極片，從加速管兩端沿中軸線向中部壓縮，在中間段形成高梯度加速區，同時在加速管的兩端留出了沒有加速電場的空間電荷中和區。高梯度加速區具有強聚焦能力，可以抵消毫安級離子束的空間電荷效應，在完成加速離子束的同時，還能對離子束形成強聚焦，保證離子束的順利傳輸。在空間電荷中和區，離子束碰撞電離殘余氣體分子，形成電子云，抵消離子束的空間電荷效應，使得離子束的散射角不會快速增長，保證離子束順利傳輸。高梯度加速區包括入口聚焦加速電極1、入口聚焦加速電極n、中間加速電極1、中間加速電極n、出口散焦加速電極1、出口散焦加速電極n ; 入口聚焦加速電極I的入口段是傾斜a角圓錐形表面，入口的孔徑為dl，a角的范圍是20°? 40°，中間段是內凹的圓筒表面，中間段的孔徑為d2,出口段是圓環形結構，出口段的孔徑為 (13，(11〈(13〈(12，入口聚焦加速電極11的孔徑為(14，(13〈(14，入口聚焦加速電極1和入口聚焦加速電極n—起，在入口處形成強烈內凹的聚焦電場，離子束獲得加速和強聚焦。出口散焦加速電極I與入口聚焦加速電極n的結構一致，呈鏡像對稱布置，d7=d4，出口散焦加速電極n 與入口聚焦加速電極I的結構一致，呈鏡像對稱布置，d8=d3，d9=d2，dl0=dl，出口散焦加速電極I和出口散焦加速電極n—起，在出口處形成強烈外凸的散焦電場，離子束獲得加速和強散焦。入口強聚焦和出口強散焦的組合效果是形成強聚焦特性。由于進出口兩端的電極片靠近離子束運行軌道，容易受到雜散離子的轟擊，產生二次粒子，因此，進出口兩端的電極片上傾斜的表面和圓弧形的表面，形成局部傾斜電場，對附近電極片上產生的二次粒子斜向加速，使其很快偏離中心軌道，轟擊到其他電極片上，不能形成長距離的傳輸和加速， 抑制了形成級聯碰撞通道的途徑，從而避免加速管發生“全電壓效應”。中間加速電極I和中間加速電極n僅對離子束加速，其開孔孔徑比進出口處的電極片上的孔徑大很多，可免受過多雜散離子轟擊。空間電荷中和區由入口阻止電極、出口阻止電極和飄移管構成，飄移管電位與高梯度加速區的出口散焦加速電極n相同，入口阻止電極和出口阻止電極的電位比飄移管的電位低。飄移管內部的殘余氣體分子，在離子束的碰撞下，產生大量的電子和正離子，正離子被離子束外推，散射到飄移管壁上。電子在離子束的吸引下，聚集在離子束通道附近，形成電子云，離子束在電子云中穿過，電子云抵消離子束產生的大部分空間電荷效應，離子束不會快速散開，能保持比較好的束流傳輸品質，便于后續加速管順利加速傳輸離子束。在飄移管兩端，入口阻止電極和出口阻止電極的負電位將阻止飄移管內部產生的二次電子溢出，有利于在飄移管內部保持高密度電子云。離子加速管之間用連接法蘭連接，屏蔽電極用來保護絕緣支撐環不受雜散粒子的轟擊，入口阻止電極和出口阻止電極的負電位由高壓接線柱引入。
[0015]本實用新型的離子加速管，多節離子加速管串聯起來，可以獲得端電壓超過5MV， 束流強度超過1mA的離子加速管。【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型的離子加速管的示意圖；[0〇17]圖中，1.入口聚焦加速電極I 2.入口聚焦加速電極n 3.中間加速電極I 4.中間加速電極n 5.出口散焦加速電極i 6.出口散焦加速電極n 7.入口阻止電極8.漂移管9.出口阻止電極10.連接法蘭11.屏蔽電極12.絕緣支撐環13.高壓接線柱。【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和實施例詳細說明本實用新型。
[0019]本實用新型的離子加速管，所述的離子加速管包括入口聚焦加速電極II，入口聚焦加速電極n 2，中間加速電極13，中間加速電極n 4，出口散焦加速電極15，出口散焦加速電極116,入口阻止電極7,漂移管8,出口阻止電極9;離子束在入口沿軸線注入，在聚焦加速電極II和入口聚焦加速電極112區間獲得電場加速和聚焦，之后進入中間加速電極13和中間加速電極n 4獲得電場加速，之后進入出口散焦加速電極15和出口散焦加速電極116獲得電場加速和散焦，然后，離子束通過入口阻止電極7，進入漂移管8，最后，離子束從出口阻止電極9輸出；
[0020]所述的入口聚焦加速電極II的入口段是傾斜a角的圓錐形表面，入口的孔徑為dl， a角的范圍是20°?40°，中間段是等直段，等直段的孔徑為d2,出口段是圓環形結構，出口段的內徑為d3，dl〈d3〈d2;[〇〇21]所述的入口聚焦加速電極II 2為中心開直徑d4的圓孔平板，d3〈d4;[〇〇22]所述的中間加速電極13為中心開直徑d5的圓孔平板，中間加速電極II 4為中心開直徑d6的圓孔平板，d4〈d5，d5=d6;
[0023]所述的出口散焦加速電極15與入口聚焦加速電極II 2的結構一致，與入口聚焦加速電極II 2呈鏡像對稱布置，d7=d4;
[0024]所述的出口散焦加速電極n 6與入口聚焦加速電極11的結構一致，與入口聚焦加速電極II呈鏡像對稱布置，d8=d3，d9=d2，dl0=dl。
[0025]所述的入口阻止電極7和出口阻止電極9具有相同的電位，電位低于漂移管8的電位。
[0026]所述的漂移管8與出口散焦加速電極6的電位相同。
[0027]所述的離子加速管的外部工作環境是5-8個大氣壓下的SF6氣體。[〇〇28]圖中的X、Y、Z為坐標系。
[0029]實施例1
[0030]被加速傳輸的離子束為氘離子束，束流強度1mA，每節加速管模塊兩端電壓250kV， 長度200mm，平均加速梯度1.25MV/m，陶瓷絕緣環13級，外部工作環境為0.6MPa的高壓SF6氣體，入口聚焦加速電極11和出口散焦加速電極II 6的孔徑為30mm，入口加速聚焦電極II 2和出口散焦加速電極15的孔徑為50mm，中間加速電極13和中間加速電極II4的孔徑為70mm，漂移管8長度80mm，阻止電極7和阻止電極9的電位相同，比漂移管8的電位低21^。20節相同的離子加速管模塊組裝在一起，形成長度為4米，總加速電壓為5MV的超高壓強流離子加速管， 輸出能量5MeV，束流強度1mA，束流截面直徑小于15mm的氘離子束。[〇〇31]實施例2
[0032]被加速傳輸的離子束為質子束，束流強度2mA，每節加速管兩端電壓225kV，長度 200mm，平均加速梯度1.125MV/m，陶瓷絕緣環13級，外部工作環境為0.6MPa的高壓SF6氣體， 入口聚焦加速電極II和出口散焦加速電極116的孔徑為30mm，入口加速聚焦電極112和出口散焦加速電極15的孔徑為50mm，中間加速電極13和中間加速電極n 4的孔徑為70mm，漂移管 8長度80mm，阻止電極7和阻止電極9的電位相同，比漂移管8的電位低21^。36節相同的加速管組裝在一起，形成長度為7.2米，總加速電壓為8MV的超高壓強流離子加速管，輸出能量 8MeV，束流強度2mA，束流截面直徑小于10mm的質子束。
[0033]最后應說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解， 可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
【主權項】
1.一種離子加速管，其特征在于，所述的離子加速管包括入口聚焦加速電極I (1)，入口 聚焦加速電極n (2)，中間加速電極1(3)，中間加速電極n (4)，出口散焦加速電極1(5)，出 口散焦加速電極n (6)，入口阻止電極(7)，漂移管(8)，出口阻止電極(9);離子束在入口沿 軸線注入，在聚焦加速電極1(1)和入口聚焦加速電極n (2)區間獲得電場加速和聚焦，之后 進入中間加速電極1(3)和中間加速電極n (4)獲得電場加速，之后進入出口散焦加速電極I (5)和出口散焦加速電極n (6)獲得電場加速和散焦，然后，離子束通過入口阻止電極(7)， 進入漂移管(8)，最后，離子束從出口阻止電極(9)輸出；所述的入口聚焦加速電極1(1)的入口段是傾斜a角的圓錐形表面，入口的孔徑為dl，a 角的范圍是20°?40°，中間段是等直段，等直段的孔徑為d2,出口段是圓環形結構，出口段 的內徑為d3，dl〈d3〈d2;所述的入口聚焦加速電極II (2)為中心開直徑d4的圓孔平板，d3〈d4;所述的中間加速電極1(3)為中心開直徑d5的圓孔平板，中間加速電極n (4)為中心開 直徑d6的圓孔平板，d4〈d5，d5=d6;所述的出口散焦加速電極1(5)與入口聚焦加速電極n(2)的結構一致，與入口聚焦加 速電極11(2)呈鏡像對稱布置，d7=d4;所述的出口散焦加速電極n (6)與入口聚焦加速電極I(1)的結構一致，與入口聚焦加 速電極I (1)呈鏡像對稱布置，d8=d3，d9=d2，dl0=dl。2.根據權利要求1所述的離子加速管，其特征在于，所述的入口阻止電極(7)和出口阻 止電極(9)具有相同的電位，電位低于漂移管(8)的電位。3.根據權利要求1所述的離子加速管，其特征在于，所述漂移管(8)與出口散焦加速電 極n (6)的電位相同。
【文檔編號】H05H1/54GK205726634SQ201620546183
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年6月7日
【發明人】李彥, 何小海, 李小飛, 婁本超, 唐君, 薛小明, 牟云峰, 胡永宏
【申請人】中國工程物理研究院核物理與化學研究所